Giá trị lịch sử địa chất của vịnh Hạ Long được đánh giá qua 2 yếu tố: lịch sử kiến tạo và địa chất địa mạo (carxtơ):

Lịch sử kiến tạo

Vịnh Hạ Long và các vùng lân cận là một phần của lãnh địa liên hợp (composite terrane) Việt-Trung, trải qua các quá trình tiến hoá tách trôi, va chạm và biến cải trong Tiền Cambri - Phanerozoi. Móng Tiền Cambri và Paleozoi hạ phần lớn bị che phủ, chỉ lộ ra vài nơi quanh vịnh Bắc Bộ, nhưng các thành tạo từ Ordovic đến nay lộ ra khá đầy đủ trên các vùng này.

Lịch sử địa chất địa mạo của vịnh Hạ Long trải qua ít nhất 500 triệu năm với những hoàn cảnh cổ địa lý rất khác nhau, với nhiều lần tạo sơn-biển thoái và sụt chìm-biển tiến. Vịnh Hạ Long từng là khu vực biển sâu vào các kỷ Ordovic-Silua (khoảng 500-410 triệu nẳm trước); khu vực biển nông vào các kỷ Cacbon-Pecmi (khoảng 340-250 triệu năm trước); biển ven bờ vào cuối kỷ Paleogen đầu kỷ Neogen (khoảng 26-20 triệu năm trước) và trải qua một số lần biển lấn trong kỷ Nhân sinh (khoảng 2 triệu năm trước?). Vào kỉ Trias (240-195 triệu năm trước) khu vực vịnh Hạ Long là những đầm lầy ẩm ướt với những cánh rừng tuế, dương xỉ khổng lồ tích tụ nhiều thế hệ.[1]

Địa chất địa mạo

Vịnh Hạ Long có quá trình tiến hóa caxtơ đầy đủ trải qua trên 20 triệu năm nhờ sự kết hợp đồng thời giữa các yếu tố như tầng đá vôi dày, khí hậu nóng ẩm và quá trình nâng kiến tạo chậm chạp trên tổng thể[1], với nhiều dạng địa hình caxtơ kiểu Phong Tùng (fengcong) gồm một cụm đá vôi thường có hình chóp nằm kề nhau có đỉnh cao trên dưới 100m, cao nhất khoảng 200m; hoặc kiểu Phong Linh (fenglin) đặc trưng bởi các đỉnh tách rời nhau tạo thành các tháp có vách dốc đứng, phần lớn các tháp có độ cao từ 50-100m. Tỉ lệ giữa chiều cao và rộng khoảng 6 lần.

Cánh đồng caxtơ của Hạ Long là lòng chảo rộng phát triển trong các vùng carxtơ có bề mặt tương đối bằng phẳng, thường xuyên ngập nước, được tạo thành theo những phương thức: hoặc nhờ kiến tạo liên quan các hố sụt địa hào; hoặc nhờ sụt trần của các thung lũng sông ngầm, hang động ngầm; hoặc cũng có thể nhờ tồn tại các tầng đá không hòa tan bị xói mòn mạnh mẽ nằm giữa vùng địa hình caxtơ cao hơn vây quanh mà thành.[1]

Vịnh Hạ Long còn bao gồm địa hình caxtơ ngầm là hệ thống các hang động đa dạng trên vịnh, được chia làm 3 nhóm chính:[1] nhóm 1 là di tích các hang ngầm cổ, tiêu biểu là hang Sửng Sốt, động Tam Cung, động Lâu đài, động Thiên Cung, hang Đầu Gỗ, Thiên Long, v.v. Nhóm 2 là các hang nền caxtơ tiêu biểu là Trinh Nữ, Bồ Nâu, Tiên Ông, Hang Trống. Nhóm 3 là hệ thống các hàm ếch biển mà tiêu biểu như 3 hang thông nhau ở cụm hồ Ba Hầm, hang Luồn, Ba Hang.

Caxtơ vịnh Hạ Long có ý nghĩa toàn cầu và có tính chất nền tảng cho khoa học địa mạo. Môi trường địa chất vịnh Hạ Long còn là nền tảng phát sinh các giá trị khác như đa dạng sinh học, văn hóa khảo cổ và các giá trị nhân văn khác.[1]